2.3.2. Вторая научная революция. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механистическая картина мира

Второй научной революцией, которая произошла в к. XVII в, была революция в математике.

Исаак Ньютон и независимо от него немецкий математик и философ Лейбниц сформулировали основные принципы дифференциального и интегрального исчисления. Эти исследования стали основой математического анализа и математической базой для всего современного естествознания.

Революция в математике дала толчок развитию физики. Основы классической физики были заложены еще в XVI в. Г. Галилеем, а затем в XVII в. развиты в механике И. Ньютона. Именно Г. Галилей считается основоположником экспериментального естествознания. Его заслугой является формулировка принципа относительности, который стал центральным постулатом классической физики. Согласно этому принципу законы механики, справедливые в одной системе координат, справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, т.е. во всех инерциальных системах отсчета физические явления происходят одинаково, они инвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Инерциальной была названа система отсчета, которая находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного и равномерного движения. До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля является ошибочным.

Фундаментальным для классической физики является понятие силы – физической меры взаимодействия тел или материальных точек. Взаимодействие тел в макромире объясняется действием гравитационных (сила тяготения) и электромагнитных сил. В XVII в. французский философ Р. Декарт построил универсальную физическую картину мира, в основе которой лежала идея природы как совокупности взаимодействующих вещественных, материальных частиц, которые действуют друг на друга путем давления или удара, т.е. механически.

Эксперименты Г. Галилея и философско-методологические принципы Р. Декарта стали основой механистического мировоззрения. Опираясь на эти идеи, И. Ньютон построил собственную теорию, которая господствовала в науке с XVII по начало XX в.

Основу классической механики составляют три закона движения, названные законами Ньютона, которые он сформуоировал в 1667 г.

Первый закон Ньютона (принцип инерции), впервые сформулированный еще Галилеем: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называют инертностью, именно поэтому первый закон Ньютона иначе называется законом инерции. Первый закон Ньютона устанавливает существование инерциальных систем отсчета.

Второй закон Ньютона (принцип ускорения): ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела):

Для количественной формулировки второго закона движения вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела – физическая величина – одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила – это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры. Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета.

Третий закон Ньютона (закон равенства действия и противодействия): всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия, силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела:

где F₁₂ – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F₂₁ – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.

где G – гравитационная постоянная, m₁ - масса одного тела, m_{2 -} масса второго тела.

Это - универсальный закон природы, которому подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Ньютон показал, что законы движения планет, открытые И. Кеплером, неразрывно связаны с действием силы всемирного тяготения, и являются ее математическим выражением. Этот закон явился основой создания небесной механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. В своей работе Ньютон предложил научно-исследовательскую программу, которую он назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

Вместе с тем, эти идеи предопределили механические взгляды на материальный мир, которые господствовали в естествознании не только в течение XVII и XVIII веков, но и почти весь XIX век. Сформировалась механистическая картина мира, согласно которой за основу всех законов природы принимаются законы классической механики. В целом природа понималась как гигантская механическая система, рассматривалась упрощенно. Признавалось существование лишь одной формы движения – механического.Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба любой материальной частицы заранее предрешена на все времена.

Воображение ученых захватывала простота этой картины мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики. В ней, носящей абстрактный характер, отбрасывалось все «лишнее»: не имели значения размеры небесных тел, их внутреннее строение, идущие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, связанные несложной формулой.

Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную и окончательную основу естествознания. XVII век считается временем становление классического естествознания, формирования механистической научной картины мира на базе экспериментально-математического естествознания.